基于RSSI测距信号衰减因子的WSN定位算法研究

作者 张春炯1 陈立万1 杨震1 曹磊2 刘莎1 刘子路1 1.重庆三峡学院 电子信息与工程学院(重庆 404100)2.商丘学院 学生处(河南 商丘 476000)

*基金项目：国家自然基金(编号：61402063);中国博士后科学基金(编号：160560);重庆三峡学院研究生创新创业项目《基于多细胞生物免疫机理的WSN节点协同信息处理研究》

张春炯(1990-)，男，硕士，研究方向：无线传感网络;陈立万，男，教授，研究方向：信号与信息处理。

摘要：在无线传感器网络中定位技术是运用广泛的重要技术，在基于距离的定位技术中，测距精度在很大程度上决定了定位精度。传统的RSSI测距法存在路径损失模型复杂、环境变化引起信号严重震荡而产生测距误差等不足。针对以上问题，本文提出利用锚节点测距信号衰减因子的RSSI测距法，该测距法无需建立路径损失模型，同时，信号衰减因子与RSSI测距有很强的关联性，减少了因其他因素引起的信号强度值震荡而带来的测距误差，具有很好的环境适应能力。

引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是现代一种有大量微型传感器节点部署的无线检测区域网络^[1]。在无线传感器网络实际工程应用中，节点需要提供自身的位置信息及检测信息，才能提供有效的监测服务^[2-3]。无线传感器网络中目标的定位、跟踪和轨迹预测都需要节点的位置信息^[4]。

WSN的定位问题一般指对于一组未知位置信息的网络节点，依靠已知的锚节点的位置信息，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置^[5]。

基于接收信号强度指示测距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的测距方式是指，信号在传播过程中遇到障碍物时会被反射、折射以及吸收，在障碍物周围的信号存在较大的路径损失，造成测距的不准确性，最大测距误差可达±50%^[2]。本文针对RSSI测距法中存在的不足，提出利用锚节点测距信号的RSSI测距法解决测距误差。

1 节点定位技术基本理论

1.1 基于距离(Range-Based)的定位

在Range-Based的定位中，节点之间测距精度决定定位的精度，介绍分析以下几种常见的测距法。

到达时间(Time of Arrival,TOA)测距法^[6]是一种基于方向链路的定位方法，通过测量节点信号到达多个信标节点的传播时间来确定节点的位置。但它对所有节点相同的误差没有进行处理，误差较大。

到达时间差(Time Different of Arrival,TDOA)测距法^[3]是另一种基于反向链路的定位方法，通过检测不同信号到达的时间差来确定节点的位置。但由于节点功率控制会造成相邻节点接收到的功率小，因此会导致比较大的测量误差。

到达角(Angle of arrival,AOA)定位法^[4]由两个或更多锚节点通过测量接收信号的到达角来估计节点的位置。而当节点距离协调器较远时，节点定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。

接收信号强度指示(RSSI)测距法^[5,6]通过接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号路径损失模型将传播损耗转化为距离。其不需添加任何额外硬件降低投入成本，但其路径损失模型建立复杂，射频信号易受多径衰落、非视距等环境影响导致接收信号强度值严重震荡，难以准确测距。

1.2 影响定位精度的主要因素

由于无线传感器网络的通信环境复杂多变，因此，各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各种因素的影响，如多径传播问题及NLOS传播。

2 RSSI测距法

RSSI测距法定位的算法中，用已知节点之间距离测量的准确度来决定定位的精度。RSSI测距法的基本思想是：在传播过程中由于信号的衰减，通过特定环境下的信号传播路径损失模型，运用到所求信号传播环境下，计算出信号衰减量对应的节点之间信号的传输距离。

2.1 RSSI测距原理

RSSI的定位算法中，传播信号在自由空间中传播，其能量没有介质损耗，传播路径损耗是指自由空间中发射节点的发射信号在传播过程中，随着距离的增加，由于信号被反射、吸收使节点接收到信号的功率密度减少，计算出信号的传播损耗，建立路径损失模型将传输损耗量转化为对应距离^[2-3,6]。路径损失是距离的二次函数，表达式如下：

(1)

上式中P_t为节点发射功率，P_t(d)为接收功率;G_r、 G_t分别是发射天线和接收天线的增益;d是发射节点到接收节点的距离;n是取决于环境的平均路径损耗指数;λ是波长。

由(1)式可得：

(2)

由此，接收信号功率变化与发射节点及接收节点距离的平方成反比，通过测量接收信号的强度利用式(2)可计算出发射与接收两节点间的距离。

2.2 RSSI测距法优缺点及误差分析

但RSSI测距法在实际